現在、自動車工学における真空およびプラズマ技術の最も重要な応用分野は、内燃機関の部品のコーティングです。これらの技術によって、エンジンはより信頼性が高く、より効率的になってきています。しかし、気候変動の観点から、CO2ニュートラルを実現するためには、内燃機関から電気モーターへの切り替えが必要であることは、コンセンサスとして広く受け入れられています。クルマづくりにおいて、内燃機関の優位性が終焉に向かっていることは予見されているのです。それは、真空およびプラズマ技術が自動車業界での存在意義を失うことを意味するのでしょうか？
それどころか、今後の変革では、バッテリーセルの生産や労働安全・品質管理の分野においても、その重要性が高まる傾向にあります。真空技術は様々なプロセス工程に不可欠であり、自動車とその部品の開発の進歩は、適切な真空環境の開発と密接に関連しています。フラウンホーファー研究機構のシステム・イノベーション研究所は2020年に、リチウムイオン電池のエネルギー密度を2030年までに「最大で2倍」にすることができると試算していますが、これは研究開発上の課題を克服できればの場合です。
目標として、より少ない製造コストでより多くのエネルギーを貯蔵すると宣言
今後、真空およびプラズマ技術はどのような場面で活躍するのでしょうか。まず、コーティングが挙げられます。電気モーターにも、内燃機関と同じようにコーティングが必要で、摩擦損失を低減する重要性があるからです。つまり、発生したエネルギーはエンジンの中で失われるのではなく、道路に伝達されなければならないのです。ベアリングなどの可動部品には、非常に滑らかで耐摩耗性の高い層がコーティングされています。さらに、数原子層の厚さしかないコーティングが、個々の部品や電気モーター全体を損傷する可能性のある不要な電荷を防ぐという、うれしい副次的効果もあります。
コーティングと乾燥の継続的な開発
フラウンホーファー研究機構は、オランダ政府の研究機関と共同で、原子層薄膜を製造するためのSALDプロセスを開発しています。SALDとは「Spatial Atom Layer Deposition」の略で、このプロセスで製造された蓄電器は、現在使用されている蓄電器に比べて非常に優れています。充電速度は5倍、容量と航続距離は3倍になると言われています。また、SALDの新しい点は "S "であり、ALDプロセスはすでにプラズマ技術の中で確固たる地位を築いています。例えばVAT社では、09シリーズや26.4シリーズのバルブや、新開発のトランスファーバルブなどを、この分野で活躍するプラントメーカーに供給しています。
コーティングは最初、「ペースト」のような状態で、乾燥させなければなりません。そのために必要な時間をいかに短くするかが重要です。乾燥時間が短いということは、システムのスループットが向上し、単価が下がることを意味しています。一方で、電極の長期安定性を維持し、さらに向上させて、アキュムレータの寿命を延ばすことも必要です。そのためには、乾燥時間と乾燥強度が他のセル特性とどのように相互作用するかを正確に把握し、多数のパラメータを最適な関係に導くことが課題となります。
乾燥自体は真空中で行われますが、これは残留溶媒や残留水分エステルなどによる汚染を避けるための唯一の方法です。さらに、真空にすることでエネルギー消費を抑えることもできます。真空でなければ、かなり高い温度が必要となり、電極層の材料特性に悪影響を及ぼす可能性があります。
充填チャレンジ
バッテリーセルには必ず電解液が入っていて、ドライバーの中には、バッテリー液を覚えている人もいるかもしれません。車に搭載されている鉛蓄電池の充電量を維持するために、定期的に補充しなければなりませんでした。腐食性の強い硫酸が37％含まれており、酸の中でも最も強い1つであるため、細心の注意が必要でした。現在使用されている電解液は、液体、固体を問わず、問題点を抱えているものが多く、その大半は可燃性で反応性が高いため、安全のために酸素のないところで充填する必要があります。
また、真空にすることで作業環境の清浄度を高め、粒子や残留水分の侵入を防ぎ、電極を均一に濡らすことができます。
電解液の漏れは非常に大きなリスクを伴うため、生産の最終段階では、真空下でのリークテストが重要な工程となります。しかし、このテストにおいては、古典的な圧力減衰テストはもはや過去のものとなり、サイクルタイムが非常に短いため、現在ではテストガスにヘリウムを使用したリークディテクタが主に使用されています。
結論: プロセスの初期段階は真空環境で実施
VAT社のセクターマネージャーであるChristian Schmidt氏は、「真空技術は、アキュムレータや電気モーターの製造・開発に欠かせないものです。」と強調しました。真空下では様々なプロセスが行われ、高い安全基準を満たすことが求められます。電池メーカーに供給する機械・プラントメーカーは、電池メーカーと同様にバルブ技術に依存しています。
未来への決断は、全コンポーネントのさらなる開発に携わる研究機関で行われます。ここでの真空技術の役割は、単に戦略的なものだけではありません。生産環境への貢献を通じて、プロセス上の特定の課題に対処し、ソリューションを提供し、エレクトロモビリティの推進役となることができるのです。
VAT社は、世界中の研究機関と連携しています。その目的は、エレクトロモビリティ向けの既存の真空バルブのポートフォリオを徐々に拡大し、現在のトレンドや進歩に合わせて発展させていくことです。その範囲は、インラインのバッテリーモジュール生産ライン用の高速真空トランスファードアから、生産条件の変化に容易に対応できるモジュール式のアイソレーションバルブやコントロールバルブのコンセプト、さらには真空プロセスモジュール一式の提供まで多岐にわたります。
つまり、VAT社は、生産者やプラントエンジニアに、モビリティの変革に役立つ様々なアプリケーションのために、カスタマイズされたバルブソリューションを提供します。